JP6800378B2 - 電磁波発生器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波発生器に関する。

従来、高周波の電磁波の発生にマグネトロンが用いられることがある。例えば、特許文献１には、１００〜５００ワット（Ｗ）の大電力により、２４５０±５０メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数を有する電磁波を発生させるマグネトロンが開示されている。この電磁波は、プラズマの発生に用いられるものである。

特開２０１５−１５１９０号公報

従来のマグネトロンは、いわゆる「二極真空管」の構造を有するものであった。すなわち、真空容器の内部にて略筒状の陽極にフィラメントを有する陰極が挿通されており、かつ、この陽極に複数個の共振用の空洞（以下「共振空洞」という。）が設けられているものであった。また、真空容器の外部において、略筒状の陽極の両端側にそれぞれ磁石が設けられているものであった。さらに、真空容器の外部において、フィラメントを加熱するための電源が設けられているものであった。かかる構造により、小型化が困難であるという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、従来のマグネトロンに比して小型で、フィラメント加熱用電源が不要な電磁波発生器を提供することを目的とする。

本発明の電磁波発生器は、導体板に設けた貫通孔及び複数個の共振空洞を有する空洞共振部であって、複数個の前記共振空洞は、貫通孔の周囲に配列され、それぞれ、貫通孔に対する開口部を有し、複数個の共振空洞のうちの互いに隣接する２個の共振空洞間の導体板の部位により複数個の電極が形成されている空洞共振部と、一方の端子が導体板と電気的に接続され、電磁波生成用の電力を供給する電源と、電源による電源電力を共振空洞に供給するダイオードであって、アノード又はカソードのうちのいずれか一方が複数個の共振空洞における複数個の電極のうちのそれぞれの電極の先端部と電気的に接続され、アノード又はカソードのうちのいずれか他方が電源の他方の端子と電気的に共通接続されている複数個のダイオードと、空洞共振部に、導体板の板面に対する直交方向の磁束を発する磁界を印加する磁界印加部と、空洞共振部により生成された電磁波を出力する電磁波出力部と、を備えるものである。

本発明によれば、上記のように構成したので、従来のマグネトロンに比して小型の電磁波発生器を得ることができ、フィラメント加熱用の電源も不要になる。

実施の形態１に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における、第１半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における、第２半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 図３Ａは、始動用の電磁波に対応する電圧の値及び始動用の電磁波に対応する電流の値を示すタイミング図である。図３Ｂは、個々の第１電極における電位の値、個々の第１電極における電流の値及び個々の第１ダイオードにおけるバイアス電圧の値を示すタイミング図である。図３Ｃは、個々の第２電極における電位の値、個々の第２電極における電流の値及び個々の第２ダイオードにおけるバイアス電圧の値を示すタイミング図である。図３Ｄは、第１電極から第２電極に流れる電流の値を示すタイミング図である。図３Ｅは、第２電極から第１電極に流れる電流の値を示すタイミング図である。図３Ｆは、第１電極と第２電極間の電位差の値を示すタイミング図である。図３Ｇは、電源電流の値及び電源電流の平均値を示すタイミング図である。 個々のダイオードが有する電圧―電流特性を示す特性図である。 個々のダイオードにおける印加電圧の値の時間変化及び個々のダイオードにおけるバイアス電圧の値の時間変化を示す説明図である。 個々のダイオードにおける通電電流の値の時間変化及び個々のダイオードにおける通電電流の平均値の時間変化を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器のうち、電磁波発生部の等価回路を示す回路図と電源の内部構成を示す回路図とを組み合わせてなる回路図において、第１半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器のうち、電磁波発生部の等価回路を示す回路図と電源の内部構成を示す回路図とを組み合わせてなる回路図において、第２半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器における空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器のうち、電磁波発生部の等価回路を示す回路図と電源の内部構成を示す回路図とを組み合わせてなる回路図において、第１半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器のうち、電磁波発生部の等価回路を示す回路図と電源の内部構成を示す回路図とを組み合わせてなる回路図において、第２半周期における各種電流の向き等を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器における空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器における空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における他の電磁波出力部を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における他の電磁波出力部を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における他の電磁波出力部を示す説明図である。 実施の形態１に係る電磁波発生器における他の電磁波出力部を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器の要部を示す説明図である。 実施の形態１に係る他の電磁波発生器の要部を示す説明図である。 実施の形態２に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態２に係る電磁波発生器における複数個の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における複数個の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における個々の空洞共振部を含む部位を断面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における個々の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における他の電流制限部を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における他の電流制限部を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における他の電流制限部を示す説明図である。 実施の形態３に係る電磁波発生器における他の電流制限部を示す説明図である。 複数個の空洞共振部が規則的に配置されている場合における指向性の例を示す説明図である。 複数個の空洞共振部が規則的に配置されている場合における指向性の他の例を示す説明図である。 複数個の空洞共振部が規則的に配置されている場合における指向性の他の例を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１Ａは、実施の形態１に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。図１Ｂは、実施の形態１に係る電磁波発生器における空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。図１を参照して、実施の形態１の電磁波発生器１００について説明する。

図１に示す如く、導体板１に空洞共振部２が設けられている。より具体的には、１個の略円形状の貫通孔２１が導体板１に穿たれており、かつ、貫通孔２１の周囲に円環状に配列された複数個（Ｎ個）の略円形状の貫通孔２２（共振空洞２２）が導体板１に穿たれている。ここで、Ｎは２以上の任意の偶数であり、図１に示す例においてはＮ＝６である。個々の貫通孔２２は、貫通孔２１に対する開口部２３を有しており、貫通孔２１と連通している。個々の貫通孔２２の壁面部２４の沿面長Ｌ１は、電磁波発生器１００が発生させる電磁波Ｗ、すなわち空洞共振部２により生成される電磁波Ｗの波長λに対する１／２倍の値に設定されている。個々の貫通孔２２により、共振空洞２２が構成されている。以下貫通孔２２を共振空洞２２と記載することもある。

互いに隣接する各２個の共振空洞２２間の導体により、すなわち導体板１のうちの互いに隣接する各２個の共振空洞２２間の部位により、個々の電極２５が形成されている。したがって、電極２５の個数は共振空洞２２の個数と同一であり、空洞共振部２はＮ個の共振空洞２２及びＮ個の電極２５を有するものである。

個々の共振空洞２２は、開口部２３を介して互いに対向配置された２個の電極２５の先端部がキャパシタの機能を果たすとともに、いわゆる「表皮効果」により略環状の壁面部２４がコイルの機能を果たすことにより、ＬＣ共振回路の機能を果たすものである。ここで、沿面長Ｌ１が波長λに対する１／２倍の値に設定されていることにより、このＬＣ共振回路における共振周波数ｆはｆ＝電磁波Ｗの速度／λ＝電磁波Ｗの速度／２Ｌ１となるものである。すなわち、このＬＣ共振回路における共振周波数ｆに応じて、空洞共振部２により生成される電磁波Ｗの周波数ｆが設定されるものである。

Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のアノードが電気的にそれぞれ接続されている。Ｎ個のダイオード３のカソードは、導体棒４を介して基板５と電気的に共通接続されている。個々のダイオード３は、例えば、ＰＮ接合ダイオード、ショットキーバリアダイオード又はＰＩＮダイオード等により構成されている。基板５は導電性を有するものであり、容器６内にて導体板１と対向配置されている。基板５と導体板１間に設けられた絶縁部材７により、基板５と導体板１間に間隙８が形成されている。

ここで、Ｎ個の共振空洞２２は、便宜的なＮ／２個の共振空洞（以下「第１共振空洞」ということがある。）２２_Ａと残余のＮ／２個の共振空洞（以下「第２共振空洞」ということがある。）２２_Ｂとが交互に配置されたものである。Ｎ個の電極２５は、便宜的なＮ／２個の電極（以下「第１電極」ということがある。）２５_Ａと残余のＮ／２個の電極（以下「第２電極」ということがある。）２５_Ｂとが交互に配置されたものである。Ｎ個のダイオード３は、便宜的なＮ／２個のダイオード（以下「第１ダイオード」ということがある。）３_Ａと残余のＮ／２個のダイオード（以下「第２ダイオード」ということがある。）３_Ｂとが交互に配置されたものである。

なお、電磁波発生器１００においては、容器６内を真空状態にすることは不要である。このため、容器６は密封容器でなくとも良い。

容器６外にて、導体板１の片面側（すなわち基板５の片面側）に磁界印加部９が設けられている。図１に示す例において、磁界印加部９は永久磁石３１により構成されている。磁界印加部９は、導体板１の板面（すなわち基板５の板面）に対する直交方向の磁束を発する磁界Ｂを空洞共振部２に印加するものである。

導体板１、空洞共振部２、ダイオード３、導体棒４、基板５、容器６、絶縁部材７及び磁界印加部９により、電磁波発生部１０の要部が構成されている。

容器６外に電源１１が設けられている。電源１１における一方の端子は導体板１と電気的に接続されており、電源１１における他方の端子は基板５と電気的に接続されている。これにより、Ｎ個のダイオード３のカソードは導体棒４及び基板５を介して電源１１と電気的に共通接続されている。電源１１は電磁波生成用の電力を供給するものであり、Ｎ個のダイオード３は電源１１による電源電力を空洞共振部２に供給するものである。

容器６外に始動用電磁波発生器１２が設けられている。始動用電磁波発生器１２は、始動用の電磁波ｗを空洞共振部２に供給するものである。

容器６外に電磁波出力部１３が設けられている。電磁波出力部１３は、空洞共振部２により生成された電磁波Ｗを電磁波発生器１００外に出力するものである。図１に示す例において、電磁波出力部１３は電磁波Ｗ用の伝送線路４１により構成されている。伝送線路４１は、例えば、同軸ケーブル又は導波管により構成されている。

なお、空洞共振部２と電磁波出力部１３間の接続線路には、電磁波Ｗの波長λに応じた部材を用いる必要がある。例えば、電磁波Ｗが可視光である場合、当該接続線路には可視光を透過する材料（透明なガラス、透明なセラミックス又は透明な樹脂など）と相応の伝送部材を用いる必要があり、電磁波Ｗが赤外線である場合、当該接続線路には赤外線を透過し伝送する材料を用いる必要がある。

電磁波発生部１０、電源１１、始動用電磁波発生器１２及び電磁波出力部１３により、電磁波発生器１００の要部が構成されている。

電磁波発生器１００は、個々の共振空洞２２の寸法（大きさ）に応じて、より具体的には沿面長Ｌ１の値に応じて、任意の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。例えば、沿面長Ｌ１が３００マイクロメートル（μｍ）に設定されている場合、１テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。また、沿面長Ｌ１が０．３μｍに設定されている場合、１０００ＴＨｚの周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。このように、沿面長Ｌ１を０．３〜３００μｍの範囲内の値に設定することにより、１〜１０００ＴＨｚの周波数領域（以下「テラヘルツ領域」という。）内の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。

テラヘルツ領域内の周波数ｆを有する電磁波Ｗは、種々の技術分野に対する応用が進められている。例えば、人体用の透視装置、車載用のレーダ装置、生体分子の同定、電子材料の物性評価、非破壊計測及び医療機器などの技術分野に対する応用が進められている。したがって、電磁波発生器１００は、これらの技術分野に応用することができる。

ちなみに、沿面長Ｌ１が３００μｍよりも大きい値に設定されている場合、１ＴＨｚよりも低い周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。このように、沿面長Ｌ１を３００μｍよりも大きい値に設定することにより、テラヘルツ領域に比して低い周波数領域内の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることもできる。

なお、沿面長Ｌ１が２．５〜１２．５μｍ程度の値に設定されている場合、発生する電磁波Ｗは遠赤外線となる。沿面長Ｌ１が０．２〜０．４μｍ程度の値に設定されている場合、発生する電磁波Ｗは可視光となる。沿面長Ｌ１が約３００ナノメートル（ｎｍ）の値に設定されている場合、発生する電磁波Ｗは黄色の可視光となる。このように、電磁波発生器１００は光を発生させることもできる。

これらの具体例において、空洞共振部２のサイズはマイクロメートル単位又はナノメートル単位である。かかる微小な空洞共振部２を有する導体板１は、例えば、いわゆる「３Ｄプリンタ」を用いて製造される。または、例えば、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）における導体パターン形成用の微細加工技術（メッキ、蒸着、折出又はエッチングなど）を用いて製造される。または、例えば、いわゆる「メタマテリアル」における導電性材料用の微細加工技術を用いて製造される。

また、空洞共振部２のサイズが微小であるため、導体板１の片面側に配置された永久磁石３１を用いて板面に対する直交方向の磁束を発する磁界Ｂを印加することができる。なお、図１に示す例においては、磁界印加部９を容器６外に設けているが、効果的に磁界を印加するために、容器６の内側に設けて導体板１に接近させてもよい。

ただし、電磁波Ｗの周波数ｆを低くすることが要求される場合、個々の共振空洞２２の寸法が大きくなり、空洞共振部２のサイズが上記の具体例に比して大きくなることがある。また、電磁波Ｗの出力を大きくすることが要求される場合、共振空洞２２の個数が増加して、空洞共振部２のサイズが上記の具体例に比して大きくなることがある。これにより、導体板１の片面側に配置された永久磁石３１を用いて板面に対する直交方向の磁束を発する磁界Ｂを印加することが困難となる可能性がある。この場合、２個の磁石により磁界印加部９が構成されており、当該２個の磁石間に容器６が配置されているものであっても良い。

次に、図２及び図３を参照して、電磁波発生器１００の動作について、空洞共振部２による増幅作用を中心に説明する。なお、図２において、空洞共振部２の符号、ダイオード３の符号及び導体棒４の符号は図示を省略している。また、空洞共振部２における各部位の符号も図示を省略している。

図２におけるＩ１は、電源１１による供給電力に対応する電流（以下「電源電流」ということがある。）の向きを示している。図２におけるＩ２（Ｉ２_ＡＢ及びＩ２_ＢＡ）は、空洞共振部２に流れる電流、より具体的には個々の共振空洞２２に流れる電流（以下「共振電流」ということがある。）の向きを示している。図２におけるＩ３（Ｉ３_Ａ及びＩ３_Ｂ）は、個々のダイオード３に流れる電流（以下「通電電流」ということがある。）の向きを示している。以下、図２における紙面時計回り方向を単に「時計回り方向」といい、図２における紙面反時計回り方向を単に「反時計回り方向」という。

始動用電磁波発生器１２が始動用の電磁波ｗを出力することにより、当該出力された電磁波ｗに対応する電流が空洞共振部２に供給される。ここで、上記のとおり、個々の共振空洞２２はＬＣ共振回路の機能を果たすものである。仮に空洞共振部２に磁界Ｂが印加されていない場合、個々の共振空洞２２の壁面部２４に沿うようにして、各共振周期のうちの前半周期（以下「第１半周期」という。）にて第２電極２５_Ｂから第１電極２５_Ａに向かう電流Ｉ２_ＢＡが流れるとともに、各共振周期のうちの後半周期（以下「第２半周期」という。）にて第１電極２５_Ａから第２電極２５_Ｂに向かう電流Ｉ２_ＡＢが流れる状態となる。すなわち、個々の共振空洞２２のそれぞれの壁面部２４においては、壁面部２４に沿う時計回り方向の電流Ｉ２と、反時計回り方向の電流Ｉ２とが、同じ壁面部２４に交互に流れる状態となる。

これに対して、磁界Ｂ（紙面においては裏側から表面方向に向かう磁束を発する磁界）が印加されていることにより、空洞共振部２における導体内を移動する電子に反時計回り方向の力Ｆが加わる。これにより、電子の軌道Ｔが反時計回り方向に曲げられることにより、電流Ｉ２は時計回り方向の電流Ｉ２_ＢＡ，Ｉ２_ＡＢが多く流れるようになる。この結果、図２Ａに示す第１半周期においては個々の第１共振空洞２２_Ａの壁面部２４に沿う時計回り方向の電流Ｉ２_ＢＡが流れるとともに、図２Ｂに示す第２半周期においては個々の第２共振空洞２２_Ｂの壁面部２４に沿う時計回り方向の電流Ｉ２_ＡＢが流れる状態となる。すなわち、図２Ａに示す時計回り方向の電流Ｉ２_ＢＡと図２Ｂに示す時計回り方向の電流Ｉ２_ＡＢとが交互に流れる状態であって、反時計回り方向の電流Ｉ２は流れない状態となる。

また、電源１１が供給する電磁波生成用の電源電流がダイオード３を介して空洞共振部２に供給される。この電源電流も上記のように振る舞う（すなわち、空洞共振部２の導体内を移動する電源電流の電子にも磁界Ｂによって、反時計回り方向の力Ｆが加わり、電源電流は個々の共振空洞２２の壁面部２４に沿うように偏って流れる）ため、第１と第２のそれぞれの半周期において、電源電流が共振電流と同じ壁面部２４に同じ方向に流れる。共振電流と同じタイミングで同じ方向に電源電流が流れることによって、壁面部２４に流れる共振電流に電源電流が加算される。

第１半周期においては、共振電流に電源電流を加算してなる電流に対応する磁気エネルギーが個々の第１共振空洞２２_Ａに蓄積されて、次いで、共振動作によって当該蓄積された磁気エネルギーが電荷エネルギーに変換される。このときの電源電流は第１ダイオード３_Ａに電流Ｉ３_Ａとなって流れる。続く第２半周期においては、当該変換された電荷エネルギーが共振動作によって個々の第２共振空洞２２_Ｂに流出することにより、個々の第２共振空洞２２_Ｂに共振電流が流れる。この共振電流に電源電流が更に加算されることにより、前回蓄積された磁気エネルギーよりも大きい磁気エネルギーが個々の第２共振空洞２２_Ｂに蓄積されて、次いで、共振動作によって当該蓄積された大きな磁気エネルギーが次の電荷エネルギーに変換される。このときの電源電流は第２ダイオード３_Ｂに電流Ｉ３_Ｂとなって流れる。以後また第１半周期の動作に至り上記が繰り返され、共振電流に電源電流が加算される毎に個々の共振空洞２２に蓄積される磁気エネルギーが大きくなり、増幅作用が生ずる。

ここで、電極２５の先端部の挙動について説明を加える。電流Ｉ２_ＢＡと電流Ｉ２_ＡＢが交互に流れて振動しているときには、個々の電極２５の電位も振動する。すなわち、第１電極２５_Ａの電位が第２電極２５_Ｂの電位に比して高い状態と第２電極２５_Ｂの電位が第１電極２５_Ａの電位に比して高い状態とが交互に繰り返される。換言すれば、第２電極２５_Ｂの電位が第１電極２５_Ａの電位に比して低い状態と第１電極２５_Ａの電位が第２電極２５_Ｂの電位に比して低い状態とが交互に繰り返される。

これに対して、上記のとおり、Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のアノードが電気的にそれぞれ接続されている。ダイオード３が有する電圧―電流特性により、第１電極２５_Ａの電位が第２電極２５_Ｂの電位に比して高い状態においては、第１ダイオード３_Ａに電流Ｉ３_Ａが流れる一方、第２ダイオード３_Ｂには電流Ｉ３_Ｂ流がほとんど流れない（図２Ａ参照）。また、第２電極２５_Ｂの電位が第１電極２５_Ａの電位に比して高い状態においては、第２ダイオード３_Ｂに電流Ｉ３_Ｂが流れる一方、第１ダイオード３_Ａには電流Ｉ３_Ａがほとんど流れない（図２Ｂ参照）。

したがって、Ｎ個の電極２５のうちの電源電流の加算対象となる電極２５（すなわち各時刻における高電位側の電極２５）に流れる電源電流を増長することができ、かつ、残余の電極２５（すなわち各時刻における低電位側の電極２５）に流れる電源電流を抑制することができる。このように、Ｎ個の電極２５のそれぞれの先端部にＮ個のダイオード３が設けられていることにより、それぞれの電極２５の電位によって通電電流を振り分けることができ、電源電流を適切に共振空洞２２さらには空洞共振部２に供給することができる。

以上の動作により、始動用電磁波発生器１２が注入した始動用の電磁波ｗをきっかけにして、自ら発した電磁波によって個々の共振空洞２２における発振状態（すなわち個々のＬＣ共振回路における発振状態）が維持されつつ、始動用の電磁波ｗに比して大きい電磁波Ｗが出力される。なお、共振空洞２２を円環状に配置した構造によって自らの出力が周回して入力されるため、発振状態が維持できる状態（発振状態）に至れば、始動用の電磁波ｗの注入を停止しても構わない。

図３Ａは、始動用の電磁波ｗに対応する電圧の値（図中Ｉ）及び始動用の電磁波ｗに対応する電流の値（図中ＩＩ）を示すタイミング図である。

図３Ｂは、個々の第１電極２５_Ａにおける電位の値（図中ＩＩＩ）、個々の第１電極２５_Ａにおける電流の値（図中ＩＶ）及び個々の第１ダイオード３_Ａにおけるバイアス電圧の値（図中Ｖ）を示すタイミング図である。なお、個々の第１電極２５_Ａにおける電位の値（図中ＩＩＩ）は、個々の第１ダイオード３_Ａにおける印加電圧の値に対応するものである。個々の第１電極２５_Ａにおける電流の値（図中ＩＶ）は、個々の第１ダイオード３_Ａにおける通電電流の値に対応するものである。

図３Ｃは、個々の第２電極２５_Ｂにおける電位の値（図中ＶＩ）、個々の第２電極２５_Ｂにおける電流の値（図中ＶＩＩ）及び個々の第２ダイオード３_Ｂにおけるバイアス電圧の値（図中ＶＩＩＩ）を示すタイミング図である。なお、個々の第２電極２５_Ｂにおける電位の値（図中ＶＩ）は、個々の第２ダイオード３_Ｂにおける印加電圧の値に対応するものである。個々の第２電極２５_Ｂにおける電流の値（図中ＶＩＩ）は、個々の第２ダイオード３_Ｂにおける通電電流の値に対応するものである。

図３Ｄは、第１電極２５_Ａから第２電極２５_Ｂに流れる電流Ｉ２_ＡＢの値（図中ＩＸ）を示すタイミング図である。図３Ｅは、第２電極２５_Ｂから第１電極２５_Ａに流れる電流Ｉ２_ＢＡの値（図中Ｘ）を示すタイミング図である。図３Ｆは、第１電極２５_Ａと第２電極２５_Ｂ間の電位差の値（図中ＸＩ）を示すタイミング図である。

図３Ｇは、電源電流の値（図中ＸＩＩ）及び電源電流の平均値（図中ＸＩＩＩ）を示すタイミング図である。なお、電源電流の値（図中ＸＩＩ）は、Ｎ個のダイオード３における通電電流の合計値に対応するものである。電源電流の平均値（図中ＸＩＩＩ）は、Ｎ個のダイオード３における通電電流の合計値の平均値に対応するものである。

以下、Ｎ個のダイオード３における通電電流の合計値の平均値を「合計平均通電電流」ということがある。また、個々のダイオード３における通電電流の平均値を「個別平均通電電流」ということがある。

ここで、図３Ｂ及び図３Ｃに示す如く、空洞共振部２の増幅作用により個々の電極２５における電位の振幅が大きくなるにつれて、個々のダイオード３におけるバイアス電圧が次第に低下している。すなわち、個々のダイオード３における印加電圧の振幅が大きくなるにつれて、個々のダイオード３におけるバイアス電圧が順バイアス側から逆バイアス側に次第に変化している。これにより、時刻ｔにて、個々のダイオード３におけるバイアス電圧の極性が正電圧から負電圧に反転している。すなわち、時刻ｔにて、個々のダイオード３が順バイアス状態から逆バイアス状態に切り替えられている。

この結果、図３Ｇに示す如く、電源電流の振幅が次第に大きくなるにもかかわらず、合計平均通電電流が一定値に保たれている。これは、電源１１が、個々のダイオード３に対するバイアス電圧を変化させることにより合計平均通電電流を一定値に保つ制御（以下「定電流制御」という。）を実行しているためである。

次に、図４及び図５を参照して、電磁波発生器１００の動作について、電源１１による定電流制御を中心に説明する。

図４Ａは、ダイオード３が有する電圧―電流特性を示している。通常、ダイオード３は、図４Ａに示す如く非線形な電圧―電流特性を有している。これにより、ダイオード３は、印加電圧が所定の順方向電圧ＶＦ（例えば０．７ボルト）以上の状態においては大きな電流が流れる一方、印加電圧が順方向電圧ＶＦ未満の状態においては電流がほとんど流れない。

これに対して、図４Ｂに示す如く、空洞共振部２の増幅作用により個々のダイオード３における印加電圧（図中ＸＸＩ）の振幅が大きくなるにつれて、個々のダイオード３におけるバイアス電圧（図中ＸＸＩＩ）を順バイアス側から逆バイアス側に次第に変化させる。より具体的には、印加電圧の波形における頭頂部が順方向電圧ＶＦを超える状態となり、かつ、当該波形における残余の部位が順方向電圧ＶＦを下回る状態となるように、バイアス電圧を次第に低下させる。なお、印加電圧の振幅が所定値を超えたタイミングにて、すなわち図４Ｂにおける（Ｇ）と（Ｈ）間のタイミングにて、バイアス電圧の極性が正電圧から負電圧に反転する。

これにより、図４Ｃに示す如く、空洞共振部２の増幅作用によりダイオード３における通電電流（図中ＸＸＩＩＩ）の振幅が次第に大きくなるにもかかわらず、個別平均通電電流（図中ＸＸＩＶ）がＩＦと同等の一定値（例えば０．１アンペア）に保たれる。この結果、合計平均通電電流（不図示）も一定値（例えばＩＦに対するＮ倍の値）に保たれる。

かかる定電流制御は、例えば、図５に示す回路により実現される。図５に示す回路は、電磁波発生部１０の等価回路と電源１１の内部構成を示す回路とを組み合わせてなるものであり、後述するフィルタ５１を設けている。

なお、電磁波発生部１０の等価回路における複数個の結節点Ｐは、複数個の電極２５にそれぞれ対応するものである。また、電磁波発生部１０の等価回路における複数個のＦ’の各々は、図２に示す磁界中の移動電子が受ける力Ｆによる整流作用に対応する回路要素、すなわち図２における時計回り方向の電流Ｉ２_ＢＡ，Ｉ２_ＡＢを多く流す作用に対応する回路要素である。これらの回路要素Ｆ’により、図５Ａに示す如く個々の第１ダイオード３_Ａに電流Ｉ３_Ａが流れる状態と、図５Ｂに示す如く個々の第２ダイオード３_Ｂに電流Ｉ３_Ｂが流れる状態とが交互に繰り返される。

図５に示す例において、電源１１はフィルタ５１、定電流制御部５２、電源５３及び電源５４を有している。フィルタ５１は、電源電流Ｉ１の平均値、すなわち合計平均通電電流を得るためのフィルタであり、キャパシタ５５及びコイル５６により構成されている。定電流制御部５２は、電流検出用の抵抗器５７、基準電圧生成用の電源５８及び誤差増幅器５９により構成されており、フィードバック制御による定電流制御を実現するものである。ここで、正電圧生成用の電源５３及び負電圧生成用の電源５４が設けられていることにより、バイアス電圧の極性の反転に対応することができる。なお、誤差増幅器５９は単純なアナログ出力のものであっても良く、又は大電力の出力も可能なＰＷＭ式等のデジタル出力のものであっても良い。

次に、図６〜図９を参照して、Ｎ個のダイオード３の接続状態に係る変形例について説明する。

まず、図６に示す如く、Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のカソードが電気的にそれぞれ接続されており、かつ、Ｎ個のダイオード３のアノードが導体棒４及び基板５を介して電源１１と電気的に共通接続されている図１及び図２のダイオード３の極性を反転したものであっても良い。図７に示す回路は、この場合における、電磁波発生部１０の等価回路と電源１１の内部構成を示す回路とを組み合わせてなるもので、図５のダイオード３の極性と基準電圧生成用の電源５８の極性を反転したものある。

または、図８に示す如く、Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のアノードが電気的にそれぞれ接続され、Ｎ個のダイオード３のカソードが基板５を介して電源１１と電気的に共通接続されているものであっても良い。この場合、図１に示す導体棒４は不要である。この場合における回路図は図５に示すものと同様であるため、図示を省略する。

または、図９に示す如く、Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のカソードが電気的にそれぞれ接続され、Ｎ個のダイオード３のアノードが基板５を介して電源１１と電気的に共通接続されている図８のダイオード３の極性を反転したものであっても良い。この場合も、図１に示す導体棒４は不要である。この場合における回路図は図７に示すものと同様であるため、図示を省略する。

すなわち、個々のダイオード３は、図１又は図６に示す如く、その通電方向が導体板１の板面に沿う向き（より具体的には導体棒４に対する放射方向に沿う向き）に設けられているものであっても良い。または、個々のダイオード３は、図８又は図９に示す如く、その通電方向が導体板１の板面に対する直交方向に沿う向きに設けられているものであっても良い。後者の場合、ＩＣの製造技術を用いてダイオード３を生成した半導体のウェハ上に、一般的なＩＣにおいては配線又は電極となる金属箔を導体板１として空洞共振部２を形成することができるため、ダイオード３さらには電磁波発生部１０の製造を容易にすることができる。なお、一般的なＩＣの構成ならば、ダイオード３をマウンティングするリードフレームが、基板５に対応する。

次に、図１０〜図１２を参照して、電磁波出力部１３に係る変形例について説明する。

まず、図１０に示す如く、Ｎ個の電極２５のうちのいずれか１個の電極２５の先端部に長手方向が導体板１の板面に沿う方向に向けられた突起４２が設けられており、この突起４２により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。突起４２は、導体板１と一体に形成されたものでよく、突起４２の突起長Ｌ２は、波長λに対する１／４倍の値に設定されている。これにより、突起４２が電磁波Ｗ用の出力アンテナの機能を果たすものである。

または、図１１に示す如く、Ｎ個の電極２５のうちのいずれか１個の電極２５の先端部に長手方向が導体板１に対する直交方向に向けられた突起４３が設けられており、この突起４３により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。突起４３は、導体板１と一体に形成されたものでよく、突起４３の突起長Ｌ３は、波長λに対する１／４倍の値に設定されている。これにより、突起４３が電磁波Ｗ用の出力アンテナの機能を果たすものである。

または、図１２に示す如く、Ｎ個の共振空洞２２のうちのいずれか１個の共振空洞２２に代えて両隣の共振空洞２２に隣接する溝４４が導体板１に穿たれており、溝４４の拡幅部４５により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。拡幅部４５の拡幅幅Ｌ４は、波長λに対する１／２倍の値に設定されている。溝４４の壁面部のうち、電極２５の先端部から拡幅部４５の最大拡幅部までの部位の沿面長Ｌ５は、波長λに対するｎ／２倍の値に設定されている（ｎは１以上の任意の整数）。溝４４の壁面部の全体に亘る沿面長Ｌ６は、波長λに対する（ｎ´＋１／２）倍の値に設定されている（ｎ´は１以上の任意の整数）。これにより、溝４４が１個の共振空洞２２の機能を果たすものであり、かつ、拡幅部４５が電磁波Ｗ用の出力アンテナの機能を果たすものである。

なお、図１１に示す例においては、電磁波Ｗが突起４３を中心軸とした全方向に、突起４３の長手方向（すなわちＬ３方向）に対する直交面に沿う方向に電磁波Ｗを集中する指向性を有するものとなる。また、図１０に示す例においては、電磁波Ｗが突起４２の長手方向（すなわちＬ２方向）に対する直交面に沿う方向に電磁波Ｗを集中する指向性を有するものとなる。図１２に示す例においても、電磁波Ｗが拡幅部４５の長手方向（すなわちＬ４方向）に対する直交面に沿う方向に電磁波Ｗを集中する指向性を有するものとなる。このため、導体板１の板面に沿う方向に電磁波Ｗを出力する場合は、図１１に示す突起４３を用いる構成が好適である。これに対して、導体板１の板面の垂直方向に電磁波Ｗを出力する場合は、図１０に示す突起４２又は図１２に示す拡幅部４５を用いる構成が好適である。例えば、電磁波発生器１００が電磁波Ｗとして光を出力するもので、いわゆる「ランバーシアン配光」の光を出力する場合に好適である。

ところで、仮に、電磁波発生器１００が電磁波出力部１３を有しないものである場合、以下のように電磁波Ｗの出力が困難となる。すなわち、上記のとおり、個々の電極２５における電位は時間に対して振動するものである。しかしながら、図３Ｂ及び図３Ｃに示す如く、各時刻において、バイアス電圧に対する第１電極２５_Ａの電位の正負とバイアス電圧に対する第２電極２５_Ｂの電位の正負とは互いに逆の関係にある。また、上記のとおり、空洞共振部２の大きさが微小であるため、個々の開口部２３の開口幅、すなわち互いに隣接する各２個の電極２５間の距離も微小なものである。この結果、互いに隣接する各２個の電極２５間の電気的な相補性及び電気的な干渉により、巨視的には全ての電極２５が同電位であるかのように観測される。すなわち、個々の電極２５における電位が振動していないかのように観測される。このため、電磁波出力部１３を設けなければ、空洞共振部２内にて生成された電磁波Ｗが空洞共振部２外に出力され難い状態となる。

なお、Ｎ個の電極２５のうちのいずれか２個以上の電極２５の各々の先端部に突起４２が設けられているものであっても良い。すなわち、２個以上の突起４２により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。同様に、Ｎ個の電極２５のうちのいずれか２個以上の電極２５の各々の先端部に突起４３が設けられているものであっても良い。すなわち、２個以上の突起４３により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。また、Ｎ個の共振空洞２２のうちのいずれか２個以上の共振空洞２２の各々に代えて溝４４が設けられており、これらの溝４４の各々が拡幅部４５を有するものであっても良い。すなわち、２個以上の拡幅部４５により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。

また、電磁波出力部１３が伝送線路４１により構成されている場合、電磁波出力部１３が容器６外にあり、電磁波出力部１３が電磁波発生部１０に含まれないものであった。これに対して、電磁波出力部１３が突起４２、突起４３又は拡幅部４５により構成されている場合、電磁波出力部１３が容器６内にあり、電磁波出力部１３が電磁波発生部１０に含まれるものである。すなわち、電磁波出力部１３は電磁波発生部１０に含まれるものであっても良く、又は含まれないものであっても良い。

次に、図１３〜図１４を参照して、磁界印加部９等に係る変形例について説明する。

図１３に示す如く、磁界印加部９は、永久磁石３２と、永久磁石３２によって発生する磁束を空洞共振部２に集中させる磁束集中部材３３とを有するものであっても良い。図１３に示す例において、磁束集中部材３３は略円錐台形状のヨーク、すなわち磁気レンズにより構成されている。磁束集中部材３３を設けることにより、単位面積当たりの磁力が弱い安価な永久磁石３２を用いて、増幅作用を生じさせるのに十分な強度を有する磁界Ｂを空洞共振部２に印加することがきる。

なお、そもそも、実施の形態１の電磁波発生器１００は二極真空管構造を廃止したものである。そして、電源電流の制御を定電流制御部５２を有した電源１１に委ねたことで、従来のマグネトロンが採用していた陽極と陰極間の空間にて電子を周回させること、すなわち、いわゆる「電子雲」を発生させることで実現していた電流制御に必要な強力な磁界が不要である。このため、磁界Ｂを増幅作用に限定して使用する電磁波発生器１００には、従来のマグネトロンに比して弱い磁界Ｂを発生する磁界印加部９を使用することができる。

または、図１４に示す如く、磁界印加部９は、永久磁石３２に代えて電磁石３４を有するものであっても良い。図１４に示す例において、電磁石３４は略円柱状のヨークに電線を巻回してなる構造を有している。当該電線は、電源１１と導体板１間の接続電線、又は電源１１と基板５間の接続電線を用いたものであり、電源電流が自ら発生する磁界を増幅用の磁界Ｂとして使用するものである。

また、図１３に示す如く、電磁波発生器１００は、電磁波出力部１３により出力された電磁波Ｗを収束させる電磁波収束部１４を有するものであっても良い。図１３に示す例において、電磁波収束部１４は凸レンズ状の誘電体レンズ６１により構成されている。

また、電磁波発生器１００は、電磁波出力部１３により出力された電磁波Ｗを拡散させる電磁波拡散部（不図示）を有するものであっても良い。電磁波拡散部は、例えば、凹レンズ状の誘電体レンズ（不図示）により構成されている。

なお、図１３に示す例は、電磁波出力部１３が容器６に含まれる構成の電磁波発生部１０を応用したもので、容器６内の各部材は図示を省略しており、電源１１及び始動用電磁波発生器１２も図示を省略している。

また、図１４に示す例も、電磁波出力部１３が容器６に含まれる構成の電磁波発生部１０を応用したもので、容器６内の各部材は図示を省略しており、始動用電磁波発生器１２も図示を省略している。

次に、空洞共振部２に係る変形例について説明する。

まず、空洞共振部２における共振空洞２２の個数は２個以上であれば良く、６個に限定されるものではない。共振空洞２２の個数を増やすことにより、空洞共振部２による増幅作用を強めることができ、より強い電磁波Ｗを発生させることができるため、必要に応じて共振空洞２２の個数を設定すればよい。

また、個々の共振空洞２２の形状は略円形状に限定されるものではない。個々の共振空洞２２は略楕円形状であっても良く、又は略多角形状であっても良い。

次に、電磁波発生器１００に係るそのほかの変形例について説明する。

電磁波発生器１００は、始動用電磁波発生器１２を有しないものであっても良い。この場合であっても、自然界における微小な電磁気的な振動、すなわち雑音レベルの電磁気的な振動が始動用の電磁波ｗと同様の機能を果たすことにより、図２及び図３を参照して説明したものと同様の原理により空洞共振部２を発振させることができる。ただし、サイズ又はコストに係る問題等が無ければ、電磁波発生器１００の始動の高速化及び安定化を図る観点から、始動用電磁波発生器１２を設けるのがより好適である。

以上のように、実施の形態１の電磁波発生器１００は、導体板１に設けたＮ個の共振空洞２２を有する空洞共振部２と、電磁波生成用の電力を供給する電源１１と、電源１１による電源電力を空洞共振部２に供給するダイオード３であって、アノード又はカソードのうちのいずれか一方がＮ個の空洞共振部２におけるそれぞれの電極２５の先端部と電気的に接続され、アノード又はカソードのうちのいずれか他方が電源１１と電気的に共通接続されているＮ個のダイオード３と、空洞共振部２に磁界Ｂを印加する磁界印加部９と、空洞共振部２により生成された電磁波Ｗを出力する電磁波出力部１３と、を備える。二極真空管構造の廃止により、従来のマグネトロンに比して小型の電磁波発生器１００を実現することができる。また、フィラメント加熱用の電源、すなわち電源１１と異なる第２の電源を不要とすることができる。また、真空容器を不要とすることができる。また、個々の共振空洞２２の寸法を適宜設定することで、任意の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。特に、テラヘルツ領域内の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。

また、ダイオード３は、空洞共振部２を有する導体板１の板面に対する直交方向に電流を流す向きに設けられている。これにより、ＩＣの製造技術を用いてダイオード３の上に金属箔による導体板１及び空洞共振部２を形成することができるため、ダイオード３さらには電磁波発生部１０の製造を容易にすることができる。なお、この「直交方向」の用語の意義は完全に直交した方向に限定されるものではなく、略直交した方向も包含するものである。

また、ダイオード３は、ＰＩＮダイオードにより構成されている。一般に、ＰＩＮダイオードは高い応答速度を有している。このため、高い周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させる場合、ＰＩＮダイオードを用いるのが好適である。換言すれば、ＰＩＮダイオードを用いることにより、高い周波数ｆに対応した電磁波発生器１００を実現することができる。

また、電源１１は、Ｎ個のダイオード３に流れる通電電流の合計値の平均値（すなわち合計平均通電電流）を一定値に保つ制御を実行する定電流制御部５２を有する。これにより、ダイオード３が有する電圧―電流特性に応じて、空洞共振部２への通電電流の平均値（すなわち個別平均通電電流）を適切な値に保つことができる。なお、この「一定値」の用語の意義は完全に一定な値に限定されるものではなく、略一定な値も包含するものである。

また、定電流制御部５２は、ダイオード３に対するバイアス電圧を変化させることにより平均値（すなわち合計平均通電電流）を一定値に保つ制御を実行する。図４及び図５を参照して説明したように、ダイオード３に対するバイアス電圧を変化させることにより定電流制御を実現することができる。

また、電源１１は、ダイオード３に印加するバイアス電圧に応じて出力電圧の極性を反転させる。図５に例示する回路により、すなわち正電圧生成用の電源５３及び負電圧生成用の電源５４を用いることにより、バイアス電圧の極性の反転に対応することができる。

また、共振空洞２２の大きさは、テラヘルツ領域内の周波数ｆに応じた値に設定されている。これにより、テラヘルツ領域内の周波数ｆ、すなわち１〜１０００ＴＨｚの周波数領域内の周波数ｆを有する電磁波Ｗを発生させることができる。

また、電磁波発生器１００は、空洞共振部２に始動用の電磁波ｗを供給する始動用電磁波発生器１２を備える。これにより、電磁波発生器１００の始動の高速化及び安定化を図ることができる。

また、電磁波出力部１３は、空洞共振部２に設けられた突起４２又は突起４３により構成されている。突起４２又は突起４３が電磁波Ｗ用の出力アンテナの機能を果たすことにより、電磁波出力部１３を実現することができる。

また、電磁波出力部１３は、空洞共振部２に隣接した溝４４の拡幅部４５により構成されている。拡幅部４５が電磁波Ｗ用の出力アンテナの機能を果たすことにより、電磁波出力部１３を実現することができる。

また、磁界印加部９は、空洞共振部２を有する導体板１の片面側に配置されている。空洞共振部２の大きさが微小である場合、導体板１の片面側に配置された磁石を用いて、板面に対する直交方向の磁束を生じる磁界Ｂを印加することができる。これにより、略筒状の陽極の両端側にそれぞれ磁石が設けられている従来のマグネトロンに比して、電磁波発生器１００の更なる小型化を図ることができる。

また、磁界印加部９は、磁束集中部材３３を有する。これにより、単位面積当たりの磁力が弱い安価な磁石を用いて、増幅作用を生じさせるのに十分な強度を有する磁界Ｂを空洞共振部２に印加することがきる。

実施の形態２．
図１５Ａは、実施の形態２に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。図１５Ｂは、実施の形態２に係る電磁波発生器における複数個の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。図１５を参照して、実施の形態２の電磁波発生器１００ａについて説明する。なお、図１５において、図１に示す部材等と同様の部材等には同一符号を付して説明を省略する。

図１５に示す如く、２枚の導体板１の各々に空洞共振部２が設けられている。すなわち、電磁波発生器１００ａは２個の空洞共振部２を有するものである。個々の空洞共振部２は、実施の形態１にて説明したものと同様の構造を有している。このため、個々の空洞共振部２についての詳細な説明は省略する。図１５において、個々の空洞共振部２における各部位の符号は図示を省略している。

一方の空洞共振部２におけるＮ個の電極２５の先端部にはＮ個のダイオード３のアノードが電気的にそれぞれ接続されており、これらのダイオード３のカソードは基板５と電気的に共通接続されている。また、他方の空洞共振部２におけるＮ個の電極２５の先端部には他のＮ個のダイオード３のカソードが電気的にそれぞれ接続されており、これらのダイオード３のアノードは基板５と電気的に共通接続されている。電源１１における一方の端子は一方の導体板１と電気的に接続されており、電源１１における他方の端子は他方の導体板１と電気的に接続されている。

すなわち、電磁波発生器１００ａは、電気的には、実施の形態１にて説明したものと同様の増幅用の構造を２個直列に接続してなるものである。空洞共振部２の個数を増やすことにより、電磁波Ｗが生成される部位の面積を増やすことができるため、より強い電磁波Ｗを発生させることができる。また、電磁波Ｗが可視光である場合、より明るい光源を実現することができる。

図１５に示す例において、電磁波出力部１３は、個々の空洞共振部２に設けられた突起４２により構成されている。このため、電磁波出力部１３は電磁波発生部１０ａに含まれている。また、図１５において、始動用電磁波発生器１２は図示を省略している。

このようにして、電磁波発生器１００ａの要部が構成されている。

なお、２個の空洞共振部２における共振周波数ｆは互いに異なるものであっても良い。すなわち、一方の空洞共振部２における個々の共振空洞２２の寸法（より具体的には沿面長Ｌ１）と他方の空洞共振部２における個々の共振空洞２２の寸法（より具体的には沿面長Ｌ１）とが互いに異なるものであっても良い。これにより、互いに異なる周波数ｆを有する電磁波Ｗを同時に発生させることができる。

また、空洞共振部２の個数は２個に限定されるものではなく、３個以上であっても良い。すなわち、３枚以上の導体板１の各々に空洞共振部２が設けられているものであっても良い。

例えば、３枚の導体板１の各々に空洞共振部２が設けられているものであっても良い。この場合において、第１の空洞共振部２における個々の共振空洞２２の寸法が赤色の可視光の波長λに応じた値に設定されており、かつ、第２の空洞共振部２における個々の共振空洞２２の寸法が緑色の可視光の波長λに応じた値に設定されており、かつ、第３の空洞共振部２における個々の共振空洞２２の寸法が青色の可視光の波長λに応じた値に設定されているものであっても良い。これにより、白色光の光源を実現することができる。

そのほか、電磁波発生器１００ａは、実施の形態１にて説明したものと同様の種々の変形例を採用することができる。

以上のように、実施の形態２の電磁波発生器１００ａは、空洞共振部２を複数個備える。空洞共振部２の個数を増やすことにより、電磁波Ｗが生成される部位の面積を増やすことができるため、より強い電磁波Ｗを発生させることができる。

また、複数個の空洞共振部２は、共振周波数ｆが互いに異なる空洞共振部２を含むものである。これにより、互いに異なる周波数ｆを有する電磁波Ｗを同時に発生させることができる。また、白色光の光源を実現することもできる。

実施の形態３．
図１６Ａは、実施の形態３に係る電磁波発生器の要部を断面から見た状態を示す説明図である。図１６Ｂは、実施の形態３に係る電磁波発生器における複数個の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。図１７Ａは、実施の形態３に係る電磁波発生器における個々の空洞共振部を含む部位を断面から見た状態を示す説明図である。図１７Ｂは、実施の形態３に係る電磁波発生器における個々の空洞共振部を含む部位を正面から見た状態を示す説明図である。図１６及び図１７を参照して、実施の形態３の電磁波発生器１００ｂについて説明する。なお、図１６及び図１７において、図１に示す部材等と同様の部材等には同一符号を付して説明を省略する。

図１６に示す如く、導体板１に複数個（Ｍ個）の略円形状の貫通孔７１が穿たれている。ここで、Ｍは２以上の任意の整数であり、図１６に示す例においてはＭ＝５である。

導体板１における個々の貫通孔７１を含む部位には、抵抗層７２を介して導体層７３が積層されている。個々の抵抗層７２には略円形状の貫通孔７４が設けられており、個々の導体層７３には空洞共振部２が設けられている。これにより、個々の空洞共振部２における共振空洞２２は、Ｍ個の抵抗層７２のうちの対応する抵抗層７２を介して、導体板１に接続している。

すなわち、電磁波発生器１００ｂはＭ個の空洞共振部２を有するものである。個々の空洞共振部２は、実施の形態１にて説明したものと同様の構造を有している。このため、個々の空洞共振部２についての詳細な説明は省略する。図１６及び図１７において、個々の空洞共振部２における各部位の符号は図示を省略している。

個々の空洞共振部２はＮ個の電極２５を有しており、当該Ｎ個の電極２５の先端部にＮ個のダイオード３のアノードが電気的にそれぞれ接続されている。当該Ｎ個のダイオード３のカソードは、基板５と電気的に共通接続されている。電源１１における一方の端子は導体板１と電気的に接続されており、電源１１における他方の端子は基板５と電気的に接続されている。

すなわち、電磁波発生器１００ｂは、電気的には、実施の形態１にて説明したものと同様の増幅用の構造をＭ個並列に接続してなるものである。空洞共振部２の個数を増やすことにより、電磁波Ｗが生成される部位の面積を増やすことができるため、より強い電磁波Ｗを発生させることができる。例えば、電磁波Ｗが光である場合、空洞共振部２を増加（発光面積を拡大）することにより、個々の空洞共振部２（単位面積当たり）の発光量が少なくても、それぞれの発光を合計した総発光量を増加することができ、より明るい光源を実現することができる。

また、上記のとおり、図１６及び図１７に示す例において、電磁波発生器１００ｂは抵抗層７２を有している。この抵抗層７２は、Ｍ個の空洞共振部２のうちの一部の空洞共振部２に電源電流が集中するのを防ぐ機能を果たすものである。換言すれば、この抵抗層７２は、個々の空洞共振部２に対する電源電流の供給を制限することにより、電源電流をＭ個の空洞共振部２に分散させる機能を果たすものである。以下、電磁波発生器１００ｂにおいて当該機能を果たす部位を「電流制限部」という。

図１６及び図１７に示す例において、電磁波出力部１３は、個々の空洞共振部２に設けられた突起４２により構成されている。このため、電磁波出力部１３は電磁波発生部１０ｂに含まれている。また、図１６及び図１７において、始動用電磁波発生器１２は図示を省略している。

このようにして、電磁波発生器１００ｂの要部が構成されている。

なお、電流制限部は上記機能を果たすものであれば良く、図１６及び図１７に示す抵抗層７２に限定されるものではない。

例えば、図１８に示す如く、基板５に積層された抵抗層７５により、すなわちダイオード３と基板５間に設けられた抵抗層７５により電流制限部が構成されているものであっても良い。この場合、図１６及び図１７に示す抵抗層７２は不要であるため、導体層７３も不要である。すなわち、抵抗層７２及び導体層７３を除去して、図１６及び図１７のような構成においても図１のような導体板１に空洞共振部２が設けられているものであっても良い。

または、図１９に示す如く、個々のダイオード３をＰＩＮダイオードにより構成することで、ＰＩＮダイオードにおける抵抗成分が電流制限部の機能を果たすものであっても良い。具体的には、ＰＩＮダイオードにおける真性半導体層（以下「Ｉ層」という。）が抵抗成分となって電流制限部の機能を果たす。

または、図２０に示す如く、ＩＣの製造技術を用いてＮ型半導体層（以下「Ｎ層」という。）８１、Ｉ層８２、及びＩ層の一部に設けたＰ型半導体層（以下「Ｐ層」という。）８３から構成されたＰＩＮダイオードの上に、金属箔による導体層８４が形成されており、導体層８４（導体板１に相当）に空洞共振部２が設けられているものであっても良い。この場合において、ダイオード３における抵抗成分、すなわちＰＩＮダイオードにおけるＩ層８２が電流制限部の機能を果たすものであっても良い。なお、一般的なＩＣの構成であれば、導体層８４となる金属箔は配線又は電極となるもので、基板５は半導体チップをマウンティングするリードフレームに相当する。また、図２０に示す空洞部８５、空洞共振部２、及び電磁波出力部１３となる突起４２は、例えば、エッチング加工又はＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工によって形成されたものである。

または、図２１に示す如く、ＩＣの製造技術を用いてＮ層９１、Ｉ層９２、及びＩ層の全面に設けたＰ層９３から構成されたＰＩＮダイオードの上に、絶縁層９４及び金属箔による導体層９５が形成されており、導体層９５（導体板１に相当）に空洞共振部２が設けられているものであっても良い。なお、当該構成においては、共振空洞２２の電極２５の先端部をＰ層９３に接続しながら、当該先端部を除く部位は絶縁層９４によって絶縁されている。この場合においても、Ｉ層９２が電流制御部の機能を果たす。なお、図２１に示す空洞部９６、空洞共振部２、及び電磁波出力部１３となる突起４２は、例えば、エッチング加工又はＦＩＢ加工によって形成されたものである。

なお、図２０に示す例において、電磁波発生部１０ｂにおいて空洞共振部２を形成する導体層８４をＭ個に分割しても良く、又は分割せずに１個であっても良い。図２１に示す例における導体層９５についても同様である。

また、空洞共振部２の個数は２個以上であれば良く、５個に限定されるものではない。例えば、電磁波発生器１００は２個の空洞共振部２を有するものであっても良く、又は３個の空洞共振部２を有するものであっても良く、さらには、６個以上の空洞共振部２を有するものであっても良い。

また、電磁波発生器１００ｂにおける電磁波出力部１３は、個々の空洞共振部２に設けられた突起４２に限定されるものではない。例えば、個々の空洞共振部２に突起４３が設けられており、これらの突起４３により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。または、個々の空洞共振部２に隣接した溝４４が設けられており、これらの溝４４の拡幅部４５により電磁波出力部１３が構成されているものであっても良い。

ここで、突起４３による電磁波出力部１３が構成された空洞共振部２を複数個（Ｍ個）備える構成においては、空洞共振部２（詳細には電磁波出力部１３となる突起４３）を規則的に配置することにより、電磁波Ｗを出力する方向、すなわち指向性を任意に設定することができる。

例えば、図２２に示す例においては、導体板１に２個の空洞共振部２が設けられており、当該２個の空洞共振部２の各々に突起４３が設けられている。これらの２個の突起４３は直線ＳＬ上に配置されており、当該２個の突起４３間の間隔Ｄ１が波長λに対するｎ倍の値に設定されている。この場合、直線ＳＬに沿う２方向及び直線ＳＬと直交する２方向を含む合計４方向に対して電磁波Ｗを集中して出力する指向性を実現することができる。

また、図２３に示す例においては、導体板１に２個の空洞共振部２が設けられており、当該２個の空洞共振部２の各々に突起４３が設けられている。これらの２個の突起４３は直線ＳＬ上に配置されており、当該２個の突起４３間の間隔Ｄ２が波長λに対する（ｎ−１／２）倍の値に設定されている（ｎは１以上の任意の整数）。この場合、直線ＳＬに沿う２方向に対して電磁波Ｗを集中して出力する指向性を実現することができる。

また、図２４に示す例においては、導体板１に３個の空洞共振部２が設けられており、当該３個の空洞共振部２の各々に突起４３が設けられている。これらの３個の突起４３は直線ＳＬ上に配置されており、当該３個の突起４３のうちの互いに隣接する各２個の突起４３間の間隔Ｄ３が波長λに対するｎ／２倍の値に設定されている。この場合、直線ＳＬに沿う２方向に対して電磁波Ｗをさらに集中して出力する指向性を得ることができる。

このように、複数個の突起４３が整列するように複数個の空洞共振部２を規則的に配置することにより、所定方向に対して電磁波Ｗを集中して出力する指向性を実現することができる。換言すれば、所定の指向性パターンを有する電磁波発生器１００ｂを実現することができる。また、複数個の突起４３が直線ＳＬ上に（すなわち一列に）整列する例において、空洞共振部２の個数をさらに増やすことにより、ビーム状の指向性を有する電磁波Ｗであって、いわゆる「コヒーレント」な電磁波Ｗを発生させることもできる。

なお、電磁波発生器１００ｂは、実施の形態１にて説明したものと同様の種々の変形例を採用することができる。

また、電磁波発生器１００ｂは、実施の形態２にて説明したものと同様の種々の変形例を採用することができる。例えば、複数個（Ｍ個）の空洞共振部２は、共振周波数ｆが互いに異なる空洞共振部２を含むものであっても良い。これにより、互いに異なる周波数ｆを有する電磁波Ｗを同時に発生させることができる。また、白色光の光源を実現することもできる。

以上のように、実施の形態３の電磁波発生器１００ｂは、空洞共振部２を複数個（Ｍ個）備える。空洞共振部２の個数を増やすことにより、電磁波Ｗが生成される部位の面積を増やすことができるため、必要に応じてより強い電磁波Ｗを発生させることができる。

また、複数個（Ｍ個）の空洞共振部２は、共振周波数ｆが互いに異なる空洞共振部２を含むものである。これにより、互いに異なる周波数ｆを有する電磁波Ｗを同時に発生させることができる。また、白色光の光源を実現することもできる。

また、複数個（Ｍ個）の空洞共振部２が規則的に配置されている。これにより、所定の方向に電磁波Ｗを出力する指向性パターンを有する電磁波発生器１００ｂを実現することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本発明の電磁波発生器は、例えば、テラヘルツ領域内の周波数を有する電磁波の発生に用いることができる。

１ 導体板、２ 空洞共振部、３ ダイオード、４ 導体棒、５ 基板、６ 容器、７ 絶縁部材、８ 間隙、９ 磁界印加部、１０，１０ａ，１０ｂ 電磁波発生部、１１ 電源、１２ 始動用電磁波発生器、１３ 電磁波出力部、１４ 電磁波収束部、２１ 貫通孔、２２ 共振空洞（貫通孔）、２３ 開口部、２４ 壁面部、２５ 電極、３１ 永久磁石、３２ 永久磁石、３３ 磁束集中部材、３４ 電磁石、４１ 伝送線路、４２ 突起、４３ 突起、４４ 溝、４５ 拡幅部、５１ フィルタ、５２ 定電流制御部、５３ 電源、５４ 電源、５５ キャパシタ、５６ コイル、５７ 抵抗器、５８ 電源、５９ 誤差増幅器、６１ 誘電体レンズ、７１ 貫通孔、７２ 抵抗層、７３ 導体層、７４ 貫通孔、７５ 抵抗層、８１ Ｎ型半導体層（Ｎ層）、８２ 真性半導体層（Ｉ層）、８３ Ｐ型半導体層（Ｐ層）、８４ 導体層、８５ 空洞部、９１ Ｎ型半導体層（Ｎ層）、９２ 真性半導体層（Ｉ層）、９３ Ｐ型半導体層（Ｐ層）、９４ 絶縁層、９５ 導体層、９６ 空洞部、１００，１００ａ，１００ｂ 電磁波発生器。

Claims (15)

1. 導体板に設けた貫通孔及び複数個の共振空洞を有する空洞共振部であって、複数個の前記共振空洞は、前記貫通孔の周囲に配列され、それぞれ、前記貫通孔に対する開口部を有し、複数個の前記共振空洞のうちの互いに隣接する２個の共振空洞間の前記導体板の部位により複数個の電極が形成されている空洞共振部と、
   一方の端子が前記導体板と電気的に接続され、電磁波生成用の電力を供給する電源と、
   前記電源による電源電力を前記共振空洞に供給するダイオードであって、アノード又はカソードのうちのいずれか一方が複数個の前記共振空洞における複数個の前記電極のうちのそれぞれの電極の先端部と電気的に接続され、前記アノード又は前記カソードのうちのいずれか他方が前記電源の他方の端子と電気的に共通接続されている複数個の前記ダイオードと、
   前記空洞共振部に、前記導体板の板面に対する直交方向の磁束を発する磁界を印加する磁界印加部と、
   前記空洞共振部により生成された電磁波を出力する電磁波出力部と、
   を備える電磁波発生器。
2. 前記ダイオードは、前記空洞共振部を有する前記導体板の板面に対する直交方向に電流を流す向きに設けられていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
3. 前記ダイオードは、ＰＩＮダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
4. 前記電源は、複数個の前記ダイオードに流れる通電電流の合計値の平均値を一定値に保つ制御を実行する定電流制御部を有することを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
5. 前記定電流制御部は、前記ダイオードに対するバイアス電圧を変化させることにより前記平均値を前記一定値に保つ前記制御を実行することを特徴とする請求項４記載の電磁波発生器。
6. 前記電源は、前記ダイオードに印加するバイアス電圧に応じて出力電圧の極性を反転させることを特徴とする請求項５記載の電磁波発生器。
7. 前記共振空洞の大きさは、テラヘルツ領域内の周波数に応じた値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
8. 前記空洞共振部に始動用の電磁波を供給する始動用電磁波発生器を備えることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
9. 前記空洞共振部を複数個備えることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
10. 複数個の前記空洞共振部は、共振周波数が互いに異なる前記空洞共振部を含むことを特徴とする請求項９記載の電磁波発生器。
11. 複数個の前記空洞共振部が規則的に配置されていることを特徴とする請求項９記載の電磁波発生器。
12. 前記電磁波出力部は、前記空洞共振部に設けられた突起により構成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
13. 前記電磁波出力部は、前記空洞共振部に隣接した溝の拡幅部により構成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
14. 前記磁界印加部は、前記空洞共振部を有する前記導体板の片面側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。
15. 前記磁界印加部は、磁束集中部材を有することを特徴とする請求項１記載の電磁波発生器。

Images